摘要：相對(duì)于鉆孔埋管換熱器，樁基埋管換熱器在換熱性能和經(jīng)濟(jì)性方面均具有較大優(yōu)勢(shì)，目前越來越廣泛的應(yīng)用于地源熱泵工程中。圍繞鉆孔與樁基埋管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和換熱機(jī)理進(jìn)行對(duì)比分析，針對(duì)南京某項(xiàng)目樁基埋管換熱器開展了換熱性能實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬分析，并采用數(shù)值模擬手段對(duì)比分析了鉆孔與樁基埋管換熱器的換熱性能差異。研究結(jié)果進(jìn)一步證明了樁基埋管換熱器具有良好的換熱性能。提出的傳熱性能數(shù)值模擬方法可較準(zhǔn)確地計(jì)算出樁基和鉆孔埋管換熱器的傳熱效率。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；換熱器；換熱性能

中圖分類號(hào)：TU831.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）03-0151-06

Comparative Analysis of Heat Exchange Performance of

Energy Piles and Borehole Heat Exchangers in GSHP System

Gui Shuqiang， Cheng Xiaohui， Zhang Zhipeng

（1.Department of Civil Engineering， Tsinghua University， Beijing 100086， P. R. China；

2. Nanjing Fullshare Energy Science Technologies Co. Ltd.， Nanjing 210012， P. R. China）

Abstract：Due to their enhanced cost-effectiveness and efficiency over traditional borehole exchangers， energy piles are increasingly used in Ground Sourced Heat Pump （GSHP） projects. In this paper， the structural characteristics of these two types of heat exchangers and their heat transfer mechanism were discussed firstly. The thermal response tests （TRT） were performed on two testing energy piles in one GSHP project in Nanjing， China. The TRT results were then used to verify the numerical simulations， which suggests that the heat exchange performance of energy piles is superior to that of the traditional borehole exchangers. Meanwhile， the numerical simulation method used in this paper was considered applicable to the optimization design of ground heat exchangers in GSHP system.

Key words：

ground source heat pump； heat exchangers； heat exchange performance；

作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，面臨著環(huán)境污染、能源短缺和氣候變化等一系列的問題，其中能源短缺所造成的困擾尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前建筑運(yùn)行能耗約占全社會(huì)商品用能的1/3，而在建筑運(yùn)行能耗中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占60%左右，是節(jié)能潛力最大的領(lǐng)域之一[1]。

地源熱泵作為建筑節(jié)能的一個(gè)有效途徑，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于建筑空調(diào)系統(tǒng)供冷供熱中。它以地下15～200 m以內(nèi)的巖土層作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，夏季將室內(nèi)熱量通過熱泵機(jī)組排入地下巖土層中，冬季則將地下巖土層中的熱量通過熱泵機(jī)組送至室內(nèi)。地下?lián)Q熱器是整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。目前中國(guó)大多數(shù)工程均采用鉆孔埋管換熱器作為地下?lián)Q熱器。但由于其鉆孔成本較高、鉆孔占地面積較大，使地源熱泵的推廣普及受到了制約。20世紀(jì)80年代，奧地利和瑞士等國(guó)技術(shù)人員開始利用建筑物基礎(chǔ)作為地源熱泵的地下?lián)Q熱器。起初利用基礎(chǔ)底板，后來發(fā)展到利用樁基、地下連續(xù)墻甚至隧道結(jié)構(gòu)作為地下?lián)Q熱器。這些利用建筑結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行地下熱交換的結(jié)構(gòu)形式被統(tǒng)稱為地下熱工結(jié)構(gòu) （Thermo-active Ground Structures）[2]。與傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器相比，它利用了建筑物基礎(chǔ)中混凝土較好的熱傳導(dǎo)性能和建筑物基礎(chǔ)與地下巖土體的更大換熱面積，提高了地下?lián)Q熱器的換熱性能，節(jié)省了大量的鉆孔費(fèi)用和地下空間資源。該技術(shù)已在其他國(guó)家得到較廣泛的應(yīng)用[3-4]。近年中國(guó)也陸續(xù)開展了這方面的應(yīng)用和研究工作。地下熱工結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中主要存在結(jié)構(gòu)安全和傳熱規(guī)律兩方面的障礙[2，5]。從傳熱角度分析，學(xué)者們采用理論分析[6-7]和數(shù)值模擬[4]2種手段對(duì)地下熱工結(jié)構(gòu)展開研究，研究的地下熱工形式主要有雙U型、螺旋型樁基埋管換熱器，但由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，換熱理論尚不完善。

筆者擬主要從換熱性能的角度出發(fā)，在分析樁基與鉆孔埋管換熱器的換熱結(jié)構(gòu)和換熱機(jī)理差異的基礎(chǔ)上，通過實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬2種手段對(duì)樁基和鉆孔埋管換熱器的換熱性能進(jìn)行對(duì)比分析，旨在找出樁基換熱器的一般規(guī)律和優(yōu)越性。

1 樁基與鉆孔埋管換熱器結(jié)構(gòu)、換熱機(jī)理及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

1.1換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

一般樁基深度為25～60 m，直徑600～1 200 mm，其直徑與長(zhǎng)度之比約在0.01～0.048之間。目前中國(guó)常見的樁基埋管換熱器為雙U和3U型，其布置形式分別如圖1和圖2所示。樁基埋管換熱器的結(jié)構(gòu)取決于所利用樁基的深度、直徑等因素。若樁深大于50 m，循環(huán)水在管內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，循環(huán)水與周圍介質(zhì)換熱充分，一般采用并聯(lián)形式的換熱器，即在一個(gè)樁基內(nèi)埋設(shè)若干組U型管，每組U型管間以并聯(lián)方式連接。若樁深小于50 m，循環(huán)水在管內(nèi)的停留時(shí)間較短，換熱不充分，為與地源熱泵機(jī)組進(jìn)出水溫度匹配，需要保證一定的換熱器進(jìn)出口溫差，一般采用串聯(lián)形式的換熱器，即樁基內(nèi)U型管間的連接方式為串聯(lián)。

此外，樁基埋管換熱器的結(jié)構(gòu)與施工工藝也有關(guān)。目前主要的施工工藝有2種，一種是將地埋管綁扎在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，埋管隨鋼筋籠一起下至樁基鉆孔內(nèi)，通過導(dǎo)管注漿將樁基鉆孔用混凝土回填密封；另一種是先將鋼筋籠下至樁基孔內(nèi)，埋管隨混凝土注漿導(dǎo)管下至孔中，使用同樣的方法將樁基鉆孔回填密封。前者埋管綁扎在鋼筋籠上較為牢固，澆筑混凝土?xí)r對(duì)埋管的影響較小，施工成功率較高，但在埋管綁扎和下管時(shí)，需要樁基施工單位的配合，一定程度上延長(zhǎng)了樁基埋管換熱器的施工時(shí)間；后者在澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的震動(dòng)可能會(huì)造成埋管變形或損壞。

與樁基埋管換熱器不同，鉆孔埋管換熱器是在鉆孔中布置1組或2組U型管，并用水泥基回填材料將鉆孔回填密封。鉆孔埋管換熱器的鉆孔深度一般為50～120 m，鉆孔直徑為120～150 mm，其直徑與長(zhǎng)度之比約在0.001～0.003之間。鉆孔埋管換熱器由于孔徑較小，一般為單U或雙U型，雙U型的連接方式分串聯(lián)和并聯(lián)2種，其連接方式與前述樁基埋管換熱器的原則相同。

1.2換熱機(jī)理對(duì)比分析

樁基與鉆孔埋管換熱器有著相似的換熱機(jī)理[8]。圖3為埋管在水平截面的換熱示意圖。換熱器的換熱主要由管內(nèi)流體對(duì)流換熱、管內(nèi)流體與管壁對(duì)流換熱、管壁導(dǎo)熱、管外壁與回填材料接觸換熱、回填材料導(dǎo)熱、回填材料與巖土體接觸換熱、巖土體的導(dǎo)熱等7部分構(gòu)成。管外壁與回填材料的換熱、回填材料與巖土體的換熱主要由施工質(zhì)量所決定。在理論計(jì)算時(shí)一般認(rèn)為不同材料接觸界面的接觸良好，接觸熱阻為零。

由于鉆孔結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、細(xì)特點(diǎn)，在鉆孔地埋管傳熱計(jì)算時(shí)通常以鉆孔壁為邊界將傳熱分為鉆孔外傳熱和鉆孔內(nèi)傳熱2部分。鉆孔外的傳熱可簡(jiǎn)化為無限長(zhǎng)或半無限長(zhǎng)的線熱源，而對(duì)于鉆孔內(nèi)傳熱，由于鉆孔孔徑較小，一般假設(shè)鉆孔內(nèi)的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱[9-11]，即鉆孔內(nèi)沿深度的熱流密度相同，且溫度分布不隨時(shí)間變化。而對(duì)樁基而言，由于其與鉆孔在結(jié)構(gòu)尺寸上的巨大差異，樁基孔壁與周圍巖土體的傳熱不能簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化為線熱源傳熱，并且樁基內(nèi)的傳熱要經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱，因而也不能將樁基內(nèi)的傳熱簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)傳熱。

由以上分析可知，雖然鉆孔與樁基埋管換熱器具有相似的換熱機(jī)理，但是由于它們結(jié)構(gòu)尺寸上的差異，并不能直接利用已有的鉆孔地埋管傳熱模型來計(jì)算樁基埋管的傳熱。

1.3經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

鉆孔埋管的施工費(fèi)用包括成孔、下管和灌漿回填3個(gè)主要環(huán)節(jié)。成孔費(fèi)用與地質(zhì)條件有較大的關(guān)聯(lián)性。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國(guó)目前鉆孔埋管成孔費(fèi)用介于50～120元/m之間。對(duì)于特別復(fù)雜的地質(zhì)條件，例如巖溶區(qū)、含流砂的地層以及斷層破碎帶等地層，該部分費(fèi)用還可能更高。下管的費(fèi)用一般在10元/m以內(nèi)。灌漿回填的費(fèi)用一般在20～30元/m。而對(duì)于樁基埋管來說，成孔和灌漿回填這2部分費(fèi)用均不會(huì)產(chǎn)生，主要施工費(fèi)用發(fā)生在下管這個(gè)環(huán)節(jié)。樁基埋管下管時(shí)要將換熱管固定在鋼筋籠上，因而其工藝較鉆孔埋管要復(fù)雜的多，且涉及到與樁基施工單位相互配合時(shí)產(chǎn)生的管理成本，目前該部分的費(fèi)用一般為30～40元/m。綜上，不考慮換熱管材料費(fèi)的差異，沿深度方向每延米樁基埋管的施工費(fèi)用約為鉆孔埋管的20%～30%。可見樁基埋管在經(jīng)濟(jì)性上明顯優(yōu)于鉆孔埋管。

2樁基換熱器換熱性能實(shí)測(cè)

以南京某采用灌注樁埋管換熱器的地源熱泵項(xiàng)目為研究對(duì)象進(jìn)行換熱性能實(shí)測(cè)。選取2根埋管形式相同、埋管深度相同的樁基埋管換熱器作為測(cè)試對(duì)象。樁基直徑為800 mm，深度為30 m?？紤]到對(duì)U型彎管處的保護(hù)，U型管的埋設(shè)深度為27 m。2組U型管綁扎在樁基的鋼筋籠上，U型管隨鋼筋籠一起下入樁基鉆孔中。為減小2組U型管之間的換熱影響，2組U型管分別綁扎在鋼筋籠的兩側(cè)，2組U型管為串聯(lián)連接方式。

試驗(yàn)?zāi)康闹饕?個(gè)：其一為實(shí)測(cè)樁基埋管換熱器的換熱性能；其二為測(cè)試溫度變化時(shí)樁基結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)特征，筆者主要討論第一個(gè)方面。測(cè)試設(shè)備原理如圖4所示，主要由樁基埋管換熱器、電加熱器、冰水水箱、循環(huán)水泵、溫度傳感器、流量傳感器和控制模塊等組成。僅使用電加熱時(shí)可測(cè)試樁基埋管換熱器放熱工況下的換熱性能；當(dāng)在冰水水箱中不斷加入冰塊且開啟電加熱裝置時(shí)，可測(cè)試樁基埋管換熱器吸熱工況下的換熱性能。通過水泵變頻器控制埋管中的水流量，并通過電加熱控制模塊控制所需要的加熱量，進(jìn)而控制進(jìn)口水溫。

試驗(yàn)時(shí)換熱器進(jìn)口溫度和流速的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。夏季換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度一般為35℃。但也有文獻(xiàn)指出，夏季可利用地埋管換熱器進(jìn)行蓄熱以供冬季使用，在蓄熱工況下，地埋管的進(jìn)水溫度可以達(dá)到60℃以上[12]。由于試驗(yàn)不僅要對(duì)灌注樁換熱器的換熱性能進(jìn)行研究，還要研究極限溫差條件下灌注樁樁身中的應(yīng)力調(diào)整，因此試驗(yàn)中樁基埋管換熱器放熱工況進(jìn)口溫度確定為60℃。吸熱試驗(yàn)時(shí)，與地埋管冬季設(shè)計(jì)最低進(jìn)口溫度相同，即為5℃。試驗(yàn)中換熱器內(nèi)循環(huán)水的流速參照“地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范”的要求，管內(nèi)流速控制在規(guī)定范圍內(nèi)[13]。

在對(duì)每個(gè)樁基埋管換熱器測(cè)試時(shí)，均采取了吸放熱2種工況，1#基樁先進(jìn)行放熱測(cè)試，后進(jìn)行吸熱測(cè)試；2#基樁先進(jìn)行吸熱測(cè)試，后進(jìn)行放熱測(cè)試。試驗(yàn)中吸放熱量的實(shí)測(cè)值和文獻(xiàn)[14-16]中上海世博軸樁基埋管換熱器的實(shí)測(cè)值對(duì)比如表1所示。對(duì)比試驗(yàn)1#和2#基樁的換熱量可知，樁基埋管的放熱量大于吸熱量，這主要是由于放熱時(shí)進(jìn)口溫度與巖土體初始溫度之差大于吸熱時(shí)的溫差造成的。1#基樁放熱量小于2#基樁放熱量，而吸熱量卻相反。分析其原因，主要是由于時(shí)間條件限制，吸放熱2種測(cè)試工況的時(shí)間間隔只有十幾個(gè)小時(shí)，灌注樁周圍地溫及樁基內(nèi)部及周圍溫度未恢復(fù)到初始巖土體溫度。對(duì)比世博軸1#和2#基樁的換熱量可知，樁基埋管換熱器的換熱量與流量有關(guān)，流量越大，換熱量越大。

試驗(yàn)放熱工況進(jìn)口溫度為60℃，此時(shí)換熱量并不能代表本項(xiàng)目樁基埋管換熱器夏季運(yùn)行過程中的實(shí)際放熱量。與上海世博軸項(xiàng)目樁基的放熱量對(duì)比可知，試驗(yàn)樁基埋管放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上海世博軸樁基埋管換熱量，可見進(jìn)口溫度與巖土體初始溫度之差越大，換熱量越大，樁基埋管換熱器可以利用的能量越多。

3 樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能數(shù)值模擬對(duì)比分析

3.1樁基埋管換熱器換熱性能數(shù)值模擬

采用CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）方法對(duì)樁基埋管換熱器開展非穩(wěn)態(tài)流固耦合的數(shù)值模擬分析，并與第2章的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，為下一步采用數(shù)值模擬方法高效分析鉆孔和樁基埋管換熱器換熱性能奠定基礎(chǔ)。

由于實(shí)際樁基埋管的傳熱非常復(fù)雜，在模擬時(shí)需要采取必要的假設(shè)。具體假設(shè)包括[17]：1）樁基周圍巖土體熱物性均勻；2）忽略地下水流動(dòng)，認(rèn)為樁基與周圍巖土的傳熱過程為熱傳導(dǎo)；3）樁基內(nèi)鋼筋的熱物性與混凝土相同；4）樁基周圍巖土溫度均勻。模擬中換熱流體采用的模型為遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒以及湍流標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)樁基埋管換熱器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其水平界面和三維網(wǎng)格劃分分別如圖5和圖6所示。模擬中各材料的熱物性參數(shù)值如表2所示。

對(duì)進(jìn)口溫度為278 K（5 ℃）時(shí)樁基埋管換熱器的換熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并與2#樁吸熱時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。模擬中采用的流量與2#樁吸熱時(shí)的流量相同，即0.6 m3/h。圖7為數(shù)值模擬和試驗(yàn)中換熱器進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化的對(duì)比，可以看出模擬得到的進(jìn)出口溫度曲線光滑，而試驗(yàn)得到的進(jìn)出口溫度曲線有一定的波動(dòng)，這主要是由于冰水水箱中不斷加入冰塊使換熱器進(jìn)口溫度波動(dòng)所致。通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，模擬與試驗(yàn)的進(jìn)出口溫度變化趨勢(shì)相同，且模擬的溫度接近實(shí)測(cè)值，由此可說明該數(shù)值模擬方法的可靠性。換熱開始時(shí)，出口溫度較高，隨著加熱過程的進(jìn)行，管周圍混凝土和巖土體的溫度降低，出口溫度也隨之降低，換熱器出口溫度的變化趨勢(shì)減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。

根據(jù)進(jìn)出口溫差及流量換算出樁基單位深度換熱量隨時(shí)間的變化，如圖8所示。模擬值與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)也相同，但模擬值比試驗(yàn)值大15%左右。這是由于試驗(yàn)采用恒溫水箱加冰快來實(shí)現(xiàn)恒定進(jìn)口溫度，在試驗(yàn)初期無法控制水箱內(nèi)的融冰量使溫度一直保持在5℃，因此在試驗(yàn)初期，進(jìn)出口溫度均高于278 K（5℃）。模擬的時(shí)候，將模擬的進(jìn)口溫度設(shè)置為5℃，以便與后面較平穩(wěn)段的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。

取樁基埋管換熱器吸熱時(shí)管內(nèi)溫度沿深度方向變化的模擬值進(jìn)行分析。選取運(yùn)行10 h時(shí)刻沿深度方向的溫度分布圖，如圖9所示?？梢钥吹剑涸诿扛鵓E管內(nèi)，流體溫度隨深度的變化接近線性，流體從周圍介質(zhì)吸熱，溫度沿流動(dòng)方向逐漸升高。

為獲得樁基埋管換熱器放熱工況下的換熱量，對(duì)進(jìn)口溫度為308 K（35℃）、流量為0.6 m3/h時(shí)樁基埋管換熱器的換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。換熱量隨時(shí)間的變化如圖10所示。由此可得到趨于穩(wěn)定時(shí)樁基埋管的換熱量約為119 W/m。

3.2 樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能數(shù)值模擬對(duì)比分析

為了對(duì)比鉆孔與樁基埋管換熱器的換熱性能差異，建立實(shí)際尺寸的雙U型鉆孔埋管換熱器的模型，并在相同的巖土熱物性參數(shù)及巖土初始溫度下對(duì)其進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，同時(shí)結(jié)合前述方法對(duì)樁基也進(jìn)行了相同的模擬分析。

鉆孔換熱器尺寸及有關(guān)參數(shù)如表3所示。

圖11和圖12分別為樁基和鉆孔埋管換熱器夏冬季分別運(yùn)行10 h沿深度方向的中心截面溫度分布云圖?？梢钥闯?，樁基埋管換熱器2組U型管間距較遠(yuǎn)，運(yùn)行10 h后2組U型管間的熱干擾還很??；而鉆孔埋管換熱器不同，由于2組U型管間距很近，2組U型管間熱干擾較為嚴(yán)重。

表4為樁基與鉆孔埋管換熱器換熱量的模擬值對(duì)比表。模擬時(shí)為保證2種換熱器管內(nèi)流速相同，則鉆孔埋管換熱器流量為樁基埋管換熱器的2倍。對(duì)比可知，單位長(zhǎng)度樁基埋管換熱器的換熱量遠(yuǎn)大于鉆孔埋管換熱器，說明樁基埋管換熱器具有更好的換熱性能。

4結(jié)論及展望

1）鉆孔與樁基埋管換熱器換熱機(jī)理相似，但由于兩者結(jié)構(gòu)尺寸方面的差異，鉆孔埋管換熱器的傳熱模型不能直接用于分析樁基埋管換熱器。

2）在相同巖土體中，換熱器的換熱性能首先與換熱器類型有關(guān)，也與管內(nèi)流速以及進(jìn)口溫度與巖土體初始溫度之差有關(guān)。一般而言，管內(nèi)流速越大，換熱性能越好；進(jìn)口溫度與巖土體初始溫度之差越大，換熱性能也越好。

3）數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值有較好的吻合性，驗(yàn)證了所采用的數(shù)值模擬方法的可靠性，為使用數(shù)值模擬方法分析樁基埋管換熱器奠定了基礎(chǔ)，提高了研究效率，可為地源熱泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠運(yùn)行提供技術(shù)支持。

4）采用數(shù)值模擬手段對(duì)鉆孔和樁基埋管換熱器的換熱性能進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果證明樁基埋管換熱器的換熱性能明顯優(yōu)于鉆孔埋管換熱器。

試驗(yàn)對(duì)南京某項(xiàng)目樁基埋管換熱器同步進(jìn)行了熱響應(yīng)測(cè)試和結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)試。筆者僅從樁基埋管換熱器換熱性能的視角展開了研究，關(guān)于結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)試方面的研究成果將在后續(xù)工作中展開討論。

（致謝：文中的樁基熱響應(yīng)實(shí)測(cè)工作得到了南京江寧科技展覽館指揮部和南京豐盛新能源科技股份有限公司的大力支持，以及清華MIT劍橋三校低碳大學(xué)聯(lián)盟基金（300907001）的資助，特此致謝！）

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